过程控制 第三章 单回路控制系统的工程设计课件.ppt

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1、第三章单回路控制系统的工程设计§3-1过程控制系统工程设计概述§3-2过程控制系统硬件选择§3-3调节器的选型及PID参数整定§3-4单回路控制系统仿真9/7/20211西南科技大学信息工程学院§3-1过程控制系统工程设计概述一、对过程控制系统设计的一般要求1、安全性整个生产过程中，确保人员设备的安全2、稳定性指系统在一定外界干扰下，在系统参数、工艺条件一定的变化范围内能长期稳定运行的能力。3、经济性指提高产品质量、产量的同时，降耗节能，提高经济效益与社会效益。9/7/20212西南科技大学信息工程学院§3-1过程控制系统工程设计概述二、过程控制系统设计

2、步骤1、根据工艺要求和控制目标确定系统变量；（1）被控参数（2）控制参数：控制（或操作）变量和扰动变量2、建立被控过程的数学模型；3、选择控制方案；（1）控制结构（2）控制算法4、选择系统所需控制设备的型号规格；5、控制器的设计；6、实验（与仿真）9/7/20213西南科技大学信息工程学院§3-1过程控制系统工程设计概述1、直接参数方法：能直接反映生产过程中产品产量和质量又易于测量的参数2、间接参数方法：当选择直接参数有困难那时，可以选择能间接反映产品质量和质量又与直接参数有单值对应关系、易于测量的参数作为被控参数被控参数选择的方法：9/7/20214西

3、南科技大学信息工程学院§3-1过程控制系统工程设计概述选择被控参数的一般原则：1、选择对产品的产量和质量、安全生产、经济运行和环境保护具有决定性作用的、可直接测量的工艺参数2、当不能用直接参数作为被控参数时，应该选择一个与直接参数有单值函数关系的间接参数3、必须具有足够高的灵敏度4、必须考虑工艺过程的合理性和所有仪表的性能9/7/20215西南科技大学信息工程学院§3-1过程控制系统工程设计概述控制参数的选择当生产过程中有多个因素能影响被控参数变化时，应分析过程扰动通道特性与控制通道特性对控制质量的影响，然后正确地选择可控性良好的变量作为控制参数。一般希

4、望控制通道克服扰动的能力要强，动态响应应比扰动通道快。所以，在设计控制回路时，要深入研究过程的控制通道和扰动通道。下面就从研究过程特性对控制质量的影响入手，讨论选择控制参数的一般原则。9/7/20216西南科技大学信息工程学院§3-1过程控制系统工程设计概述1、过程静态特性对控制质量的影响过程静态特性对控制质量的影响是指过程的静态放大系数对控制质量的影响。现以如图所示的单回路控制系统为例。W（s）Wf（s）W0（s）+++-X（s）F（s）Y（s）单回路控制系统框图9/7/20217西南科技大学信息工程学院§3-1过程控制系统工程设计概述（3—1）图中，

5、W（S）为调节器传递函数，W0（S）为过程控制通道传递函数，Wf（S）为过程扰动通道传递函数。9/7/20218西南科技大学信息工程学院§3-1过程控制系统工程设计概述对于定值控制系统的闭环传递函数为：（3—2）由于系统本质是稳定的，在单位阶跃扰动作用下，系统余差可应用终值定理求得：9/7/20219西南科技大学信息工程学院§3-1过程控制系统工程设计概述（3—3）由式（3－3）可见，过程静态特性对控制质量有很大的影响，这是选择控制参数的一个重要依据。扰动通道的静态放大系数Kf愈大，系统的余差也愈大。9/7/202110西南科技大学信息工程学院§3-1过

6、程控制系统工程设计概述为了提高控制精度，在选择控制参数时，应使Kf愈小愈好，以减弱扰动对被控制参数的影响。控制通道的放大系数K0愈大，表示控制作用愈灵敏，克服扰动的效果愈好。但是，由于最佳的控制过程，K0与Kc的乘积应为一常数。而调节器的Kc是可调节的，K0的大小可通过改变Kc来补偿，以满足K0与Kc乘积为一常数的要求。所以，在系统设计时，选择控制通道的K0适当大一些。9/7/202111西南科技大学信息工程学院§3-1过程控制系统工程设计概述2、过程动态特性对控制质量的影响过程的动态特性包括扰动通道和控制通道两个部分的动态特性。（1）扰动通道动态特性的

7、影响时间常数的影响、滞后时间的影响和扰动作用点位置的影响。（2）控制通道动态特性的影响可控性指示：为了比较不同过程的可控性，通常采用相同模式的调节器，并分别将调节器参数整定到最佳，然后在相同扰动作用下，比较它们的工作性能。另外还有时间常数的影响和滞后时间的影响。9/7/202112西南科技大学信息工程学院h蒸汽Qs给水Qw给水控制对象结构零水位例：锅炉给水系统的分析§3-1过程控制系统工程设计概述9/7/202113西南科技大学信息工程学院在锅炉运行中，汽包水位为重要的控制参数。水位过高，影响汽水分离的效果；而水位过低则会破坏汽水循环，严重时将导致锅炉爆

8、管。同时高效能的锅炉产生的蒸汽流量很大，而汽包的体积相对来说较小，大容量的锅炉给